基于无线传感器网络和GSM网络的智能家居系统设计

【中心议题】

• 提出了一种基于无线传感器网络和GSM网络的智能家居系统
• 给出了具体设计方案

【解决方案】

• 硬件方面,采用MSP430F449单片机和CC2420无线传输模块一起来构建无线传感器网络节点
• 软件方面,主要对ZigBee网络通信协议的应用层中的数据帧进行全新的设计
• GSM通信模块设计方面,通过TC35通信模块与用户手机等终端设备通信,发送系统状态信息和接收用户的指令

0　引言

随着社会信息化的加快,人们对家居的要求早已不只是物理空间,更为关注的是一个安全、方便、舒适的居家环境.智能家居系统可以实现以下3个功能: (1)用一个摇控器摇控所有家庭照明与家用电器的开关状态; (2)当您离开家时利用通讯网络,通过固定电话、手机、互联网摇控所有家庭照明与家用电器的开关状态; (3)住宅安防系统.本文把无线通信技术引入智能家居系统.目前典型的无线通信技术有Bluetooth、W i-Fi、Zigbee技术,其中ZigBee作为一种低功耗、低数据速率、低成本的技术,兼有信息采集、传输和处理的能力,更适合于家庭自动化、安全保障系统等低数据率传输的场合.与ZigBee兼容的设备具有网状的拓扑结构,可以在很大程度上延伸节点的传输范围,为组建无线传感器网络提供了可能.无线传感器网络主要由汇聚节点(sink node)和传感器节点(sensornode)构成.网络节点通过自组织方式形成无线网络,以协作的方式实时感知、采集和处理网络覆盖区域中的信息,并通过多跳网络将数据经由汇聚节点将整个区域内的信息传送到远程控制管理中心,或接受远程管理中心对网络节点进行实时控制和操纵.

1　系统总体设计

本系统主要由家居内各种监控子网、家庭网关、监控PC、GSM通信模块和远程用户终端组成.该模型是一种星型和点对点拓扑的混合结构.每个网络节点分别控制一个星型拓扑结构监控子网络,这些子网络有:照明子网、调温子网、家电子网、报警子网、远程抄表子网等.比如报警子网内的各类传感器节点包括防盗门开关传感器节点、烟雾传感器节点、交流电源传感器节点和图像传感器节点等.防盗门开关传感器用于检测防盗门的非正常开启,当传感器检测到非正常开门信号后便通过防盗门开关传感器节点发送开关信号给报警子网的网络节点进而传给家庭网关显示防盗门状态;烟雾传感器用于检测火灾信号,交流电源传感器主要检测电源过载和过压情况,图像传感器用于记录非正常进入者在室内活动的图像信息.执行器主要是一些继电器,可以控制响铃、断电等.这些子网的信息通过各子网的网络节点传递给家庭网关,网络节点接收家庭网关的控制命令,控制各子网内相关节点实现唤醒、查询甚至执行等操作;网络协调器嵌入家庭网关中,负责组建网络,同时通过RS232串口与上位监控主机连接,实时传输整个监控系统的状态;监控主机在监控系统状态的同时,通过GSM通信模块与用户手机通信,发送系统状态信息和接收用户的指令,并在系统出现异常现象时迅速短信通知用户.

2　无线传感器网络硬件设计

家庭网关的主要任务就是在家庭网络和外部网络之间架起一座桥梁,从而使得用户可以借助外部网络对住宅进行远程监控.在本设计中,和家庭网关相连的外部网络是GSM网.由于家庭网关的复杂程度要远远大于普通的网络节点,在处理器的选择上,采用ATmega128L.

如图1所示传感器网络节点的基本组成包括如下4个基本单元:数据采集单元(由传感器和模数转换功能模块组成)、数据处理单元(包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等)、数据传输通信单元(由无线通信模块组成)以及电源.虽然家电种类繁多,导致网络中节点功能也不相同,但它们在硬件方面的差别在于传感器和控制器,而电源、数据处理单元和数据传输单元则采用相同的设计.

本系统处理器采用TI公司的MSP430F449单片机,MSP430单片机是一种超低功耗的混合信号控制器,有正常工作模式(AM)和4种低功耗工作模式(LPM1、LPM2、LPM3、LPM4),且可以方便地在各种工作模式之间切换.同时,MSP430具有非常高的集成度,单片集成了多通道12 bit的A/D转换、片内精密比较器、斜边A/D转换等.

无线传输模块采用现在CC2420芯片,CC2420基于Chipcon公司的SmartRF 03技术,是用0. 18μmCMOS工艺生产的.它是ChipconAS公司推出的首款符合2. 4 GHz IEEE 802. 15. 4标准的射频收发器,它只需极少外部元器件,性能稳定且功耗极低.利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250 kbit/s,可以实现多点对多点的快速组网.

CC2420与MSP430单片机的接口电路如图2所示.

3　无线传感器网络软件设计

家庭网络的组建主要包括系统上电初始化,网络拓扑更新和节点与网络协调器通信三方面.网络协调器主导网络建立和网络运行的整个过程.组建流程如图3所示.

ZigBee网络的物理层和MAC层的通信协议遵循IEEE802.15. 4标准,由于本文中智能家居系统中ZigBee网络采用简单的星型拓扑结构,本文通信协议的设计主要考虑应用层.ZigBee网络应用层有4种类型帧格式:数据请求帧、数据确认帧、命令请求帧、命令确认帧.其中数据请求帧和命令请求帧统称为请求帧,有相似的帧格式;数据确认帧和命令确认帧统称为确认帧,帧格式相似.

在请求帧中,应用程序可以把数据或命令代码放到负载中传输到目标节点,目标节点在收到后应该返回一个确认帧.接收节点在接收请求帧后都会向信息发起节点发回1个确认帧,如果正确接收错误代码字节为0x00;如果接收出现错误,错误代码字节表示为0xFF,错误类型字节表示具体的错误信息.

4　GSM通信模块设计

GSM模块是实现无线通信的核心部分,本系统实际电路中,家庭网关通过串口与西门子公司的GSM通信模块TC35相连,通过TC35与用户手机等终端设备通信,发送系统状态信息和接收用户的指令,并在系统出现异常现象时迅速短信通知用户.

TC35集成了RF射频模块以及基带处理器(baseband processor),可以实现完整的GSM功能,广泛应用于M2M中,如远程控制、无限车辆调度、无线电力抄表、远程医疗中端和无线POS物流控制等.

GSM短消息的发送是采用基于AT命令的PDU编码模式对接收到的数据进行编码并发送.该部分的应用软件是在ATmega128L上进行编译.TC35模块有众多的AT命令,包括标准V. 25命令集、FAX命令集、GSM07. 07命令集、GSM07. 05 for SMS命令集以及Siemens扩展AT命令集[7].所有发给TC35的其中命令都以AT开头,以(0x0DH)结尾,TC35的应答格式为: <应答信息>.

以发送PDU格式短信息为例,如发送短信息“你好”到13002245607,则AT命令为:

AT+ CMGS= 19 < CR>0011210D91683100225406F7000800044F60597D

其中AT+CMGS:发短信息命令;

19:短信息内容的长度(PDU信息部分);

00:表示使用SIM卡中设定的短信息中心号码;

11: 8bitMTI+VPF;

21:短信息参考信息值;

0D:目标电话号码长度;

91:目标卡类型(国际),要加前缀+86;

683100225406F7:目标电话号码+8613002245607十进制半8位编码,不足位用F补齐;

00:协议标识, 00正常短信息协议;

08:短信息编码格式, 08表示UCS2编码;

00:短信息有效期VP, (VP+1)×5分钟,即5分钟有效期；

04:短信息数据长度;

4F60597D:“你好”的Unicode码;

_: 短信息结束标志TC35的返回信息为:

+CMGS: 171OK:表示发送成功,其中171位短信息参考值.

5　结束语

本文介绍了采用利用无线传感器网络和GSM网络实现智能家居系统的设计,该系统能方便快捷地部署各种安全监测无线传感器,并建立同火警、治安系统等机构的通信连接,有效保障了家居系统的安全;该系统还使人们在任何地点都可以方便地监控调节家居内的光线、温度和湿度等物理环境因素以及家电控制,为人们提供了一个舒适健康的生活与工作环境.试验结果表明采用这种方式建立的无线传感器网络具有较高的稳定性、可靠性和通信效率,可扩展性强,具有一定的实用性.